热层大气中钠原子层的激光雷达观测研究

摘要

中高层大气中的金属原子层可以被共振荧光激光雷达探测到，因而成为了探测空间大气相互作用区域的良好示踪物。中性金属原子通常被认为存在于75-110km的中间层和低热层区域，它们的这种分布特征限制了激光雷达遥感的探测范围。
　　近些年来新的发现从根本上改变了我们的认识。Chu etal.(2011)报道了在南极McMurdo观测站(77.83°S，166.66°E)使用铁激光雷达发现的最高高度达到155 km的中性铁原子层现象(Chu et al.，2011)。这是第一次在热层大气区域发现具有重力波特征的中性铁原子层。在这之后，许多热层金属原子层的观测相继被报道出来。热层中性金属原子层为使用激光雷达技术对100-200km中性成分进行高时空分辨率观测提供了优良的示踪物。它们可以被用来研究热层和电离层的耦合过程，以及100-200km高度的化学反应、热力学、动力学和电动力学现象。作为一个研究各种物理和化学过程的天然实验室，热层中性金属原子的研究具有重要的意义。
　　但是截至2013年底，钠原子层的最高观测记录只为140km，这一结果远低于铁原子层170km(Chu et al.，2013)和钾原子层155 km（Friedman et al.，2013）的观测记录。由此我们产生了一系列疑问，比如中性铁原子层170km的观测记录是得益于McMurdo特殊的地理位置，抑或是铁原子的本身特性？中性钠原子层能否在南极以外的其他地区突破140km的观测记录？解决这些问题有助于我们深入理解热层中性金属原子层的起源和形成机制。
　　在本文中，我们主要对2012年3月、4月和12月在丽江(地磁纬度21.6°N，171.8°E)观测到的最高可以达到170km具有潮汐相位特征的中性钠原子层现象进行研究，并对其形成机制进行定性分析。据我们所知，这是中性钠原子层第一次在这个高度被发现。在2012年37个夜间的观测数据中，我们确认了至少12个最高高度超过130 km的丽江热层钠原子层事件，即其出现频率约为33％。热层大气中的中性钠原子层密度非常低，在130-170 km之间约为1-6 cm-3，比中间层顶附近的钠层峰值密度小大约3个数量级。它们都有相位向下发展演化的特征，下降速率约为11-12 km/h（约3m/s），这一数值和140 km左右半日潮汐的垂直相速度相一致。
　　丽江热层中性钠原子事件几乎都对应着中等或者较强的的赤道喷泉效应现象，这两者之间的关系有力的支持了我们的理论假设，即金属离子在赤道喷泉效应的作用下从赤道地区向低纬地区输运，这一过程为丽江上空的热层区域带来了Na+离子，根据Chu et al.(2011)和Yu and Chu(2014)中的理论和Tsuda et al.(2015)中的假设，我们进一步认为丽江热层钠原子层是通过潮汐风剪切汇聚的Na+离子层通过直接辐射复合反应Na++ e-→Na+hv中和而形成的，并通过估算，得到了和观测相一致的结果。
　　在本文中我们还对子午工程各台站的热层钠原子层的观测结果进行了分析，它们与丽江观测结果的差异表明了探测极限对于热层中性金属原子观测活动的重要性。通过子午工程各台站观测情况的对比，我们进一步推论，对于低纬130km以上热层金属原子层的形成过程，赤道喷泉效应引起的等离子体输运起到了非常重要的作用。丽江热层钠原子层的形成机制在低纬度地区具有代表性。

目录

声明

摘要

第1章 引言

1．1 中间层和热层的中性大气

1．1．1 大气的分层结构

1．1．2 中高层大气的波动过程

1．2 中性金属原子层和激光雷达探测技术

1．2．1 中间层和低热层区域的金属原子层

1．2．2 激光雷达技术简介

1．3 电离层现象和金属离子

1．3．1 电离层分层结构

1．3．2 电离层赤道异常现象

1．3．3 金属离子和突发E层、降行层

1．4 热层大气中的中性金属原子层

1．4．1 热层中性金属原子层的探测

1．4．2 热层金属原子层形成机制的模拟

1．5 本文研究目标

第2章 丽江的热层钠原子层观测

2．1 引言

2．2 丽江激光雷达的结构

2．3 激光雷达数据的反演过程

2．4 丽江热层钠原子层的观测

2．5 丽江热层钠原子层的特征

2．6 本章结论

第3章 丽江热层钠原子层的形成机制

3．1 引言

3．2 丽江热层钠原子层和赤道喷泉效应的关系

3．2．1 概述

3．2．2 电离层电子总含量和赤道喷泉效应

3．2．3 丽江热层钠原子层和赤道喷泉效应的关系

3．3 丽江热层钠原子层的潮汐相位特征

3．3．1 概述

3．3．2 全球尺度波动模式

3．3．2 丽江热层钠原子层和潮汐的相位比较

3．4 热层中性钠原子形成的化学反应

3．4．1 中高层大气中钠原子的生成和损失

3．4．2 辐射复合是形成丽江热层钠原子层的主要反应

3．4 对丽江热层大气钠原子层的理论解释

3．5 本章结论

第4章 子午工程中低纬度热层钠原子层观测

4．1 子午工程各台站观测到的热层钠层

4．1．1 子午工程激光雷达台站热层钠原子层观测

4．1．2 北京110-140 km的热层钠原子层事件

4．1．3 海口110-160 km的热层钠原子层事件

4．2 赤道喷泉效应在中低纬热层钠层事件中的作用

4．3 中低纬度热层钠原子层的形成

4．4 中低纬度地区和极区热层金属原子层的比较

4．5 本章结论

第5章 结论和展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

附录

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果